ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2004 года по МПК C01B31/02 

Изобретение относится к способам получения фуллеренсодержащих материалов путем возгонки углеродсодержащего материала высокотемпературным полем в камере его переработки.

В настоящее время известны направления развития этой технологии, где наиболее представительной, репрезентативной и наиболее близкой по технической сущности является технология производства фуллеренсодержащих материалов, включающая предварительную обработку исходного углеродсодержащего материала, подачу этого материала в реакционную зону рабочей камеры, возгонку углеродсодержащего материала в газоаэрозольную фазу, отвод продуктов переработки из реакционной зоны камеры в потоке нейтрального газа на сортировку и использование по назначению (US 5227038 А, 13.07.1993).

Обладая определенными преимуществами перед аналогами, в частности, за счет наличия операции предварительной обработки исходного материала и операции его возгонки и отвода в потоке нейтрального газа, эта технология обладает также очевидными и существенными недостатками, заключающимися в незначительной эффективности процесса переработки углеродсодержащего материала за счет пользования для этого процесса прямого электроразряда, приводящего к переходу в газоаэрозольную фазу незначительной части исходного материала (не более 30%), что ведет за собой естественное снижение выхода фуллереной и их содержания в общей массе переработанного фуллеренсодержащего материала; кроме того, отвод фуллеренсодержащего материала из реакционной зоны камеры осуществляют в нерегулируемом по скорости, плотности и сечению потоке нейтрального газа (преимущественно Не), а это приводит к получению части разрушенных молекул фуллеренов и кластерообразованию молекул фуллеренов, не обладающих ожидаемыми полноценными свойствами, такого вещества и материалов, получаемых на основе фуллеренсодержащего вещества, фуллеритов и фуллеридов.

Технической задачей и технологическим результатом данного изобретения является существенное повышение эффективности процесса за счет организации более эффективного процесса подготовки исходного углеродсодержащего материала, его возгонки в полноценное газоаэрозолное фазовое состояние и более эффективной организации отвода фуллеренсодержащего материала, что приводит к получению более полноценного продукта переработки исходного материала.

Указанная техническая задача в изобретении решена за счет того, что технология производства фуллеренесодержащего материала, включающая предварительную обработку исходного углеродсодержащего материала, подачу этого материала в реакционную зону рабочей камеры, возгонку углеродсодержащего материала в газоаэрозольную фазу, отвод продуктов переработки из реакционной зоны камеры в потоке нейтрального газа на сортировку и использование, предусматривает перед подачей углеродсодержащего материала в реакционную зону камеры операцию, при которой его подвергают предварительной обработке воздействием электростатического поля напряженностью 5-50 А/м² в течение 30-60 минут, затем этот углеродсодержащий материал подают в реакционную зону камеры с помощью захватов робота-манипулятора, где эти захваты перемещают в трех взаимно перпендикулярных направлениях, в получаемую при возгонке газо-аэрозольную фазу перерабатываемого углеродсодержащего материала выдерживают в диапазоне времени 0,001-0,1 секунды, отводят в потоке нейтрального газа и подвергают этот поток расширению в его поперечном сечении с раскрытием этого сечения по лемнискате, кождый разделенный кольцевой поток отводят на фильтр-сепаратор, где на частицы продукта переработки и на материал фильтра-сепаратора одновременно воздействуют акустическим и электромагнитным полями, при этом отводимые потоки формируют за счет потока нейтрального газа, предварительно пропущенного в зазоре между стенкой камеры и защитным герметизирующим корпусом этой рабочей камеры.

Описываемая технология производства фуллеренсодержащих материалов осуществляется с помощью соответствующей установки, имеющей рабочую камеру, в полости которой размещена реакционная часть для переработки исходного углеродсодержащего материала, в реакционной зоне камеры осуществляют возгонку исходного материала за счет воздействия на него высокотемпературным полем. Продукт переработки отводят из рабочей камеры в потоке нейтрального газа на дальнейшую фракционную сортировку и использование по прямому назначению.

Пример осуществления технологии производства фуллеренсодержащего материала.

Готовят установку для такого процесса, проверяют функционирование ее рабочей камеры и реакционной зоны камеры за счет подачи электроэнергии, потока нейтрального газа (или Не, или Аr, или Кr) и хладагента. С помощью программированного блока управления устанавливают парамеры процесса: по энергии 10 кВт; подача потока нейтрального газа (Кr) со скоростью 0,5-1,0 м/с сквозь полость рабочей камеры и ее реакционную зону в направлении потока от узла подачи исходного углеродсодержащего материала - по направлению выхода продукта переработки, проверяют работу узлов сортировки установки (фильтр-сепаратор) и ее накопительных контейнеров.

После такой технической подготовки берут порцию углеродсодержащего материала - графита, выбранного в виде стержней, один из которых является стержнем сплошного сечения диаметром 6 мм длиной 125 мм, другой - в виде трубки с внешним диаметром 15 мм, внутренним диаметром 10 мм, длиной 120 мм. Оба этих исходных образца материала предварительно подвергают обработке за счет их размещения между сферическими пластинами, с зазором от пластин и между ними, и воздействием на этот материал электростатическим полем напряженностью 25 А/м² (при линейной напряженности 0,25 А/м) в течение 43 минут (это позволяет устранить электронодефицитность в материале за счет облучения его электронами и протонами). Обработанный материал, имеющий положительный потенциал, закрепляют в захватах робота-манипулятора, имеющих возможность перемещения в пространстве рабочей камеры в трех взаимно перпендикулярных направлениях для более полной объемной обработки исходного материала в высокотемпературном поле реакционной зоны рабочей камеры, что исключает проскок необработанных фракций и частиц исходного материала и в 2,0-2,4 раза снижает количество неэффективного шлака в отводимом потоке фуллеренсодержащего материала. Получаемую при таком процессе возгонки газо-аэрозольную фазу перерабатываемого углеродсодержащего материала выдерживают в полости реакционной зоны рабочей камеры в диапазоне времени 0,001-0,1 с, предпочтительно, 0,05-0,07 с, за счет завихрения потока вдоль стенок рабочей камеры и последующего отвода этого обработанного фуллеренсодержащего материала из рабочей камеры, который осуществляют захватом потоком нейтрального газа (Кr) частиц отводимого фуллеренсодержащего материала.

Отводимый поток фуллеренсодержащего материала подвергают расширению в его поперечном сечении, раскрывая сечение по лемнискате: с начальным углом расхождения граничных поверхностей потока от 1-3° до конечного расширения по плавной кривой-лемнискате под углом около 60° между граничными боковыми поверхностями потока, что приводит к строгому упорядоченному ориентированию в каждом выбранном кольцевом пространстве потока определенных фаз и фракций фуллеренсодержащих веществ. Форму и объем каждого кольцевого потока контролируют с помощью тонкостенных диффузоров, имеющих стенки, выполненные по лемнискатам, что и позволяет каждый отдельный кольцевой поток направить на свой фильтр-сепаратор, в ячейках которых накапливают частицы фуллеренов (отдельно: С-60, С-70, С-84), при этом допускается содержание в массе С-60 некоторого количества С-70 (около 3-5% м.), а в массе С-84 - около 5-7% м. содержания С-70, что незначительно снижает свойства того или иного фуллерена и современными нормами сертифицирования допускается.

Одновременно получаемый при возгонке побочный материал в виде пироуглерода (С_20-32) отводят из центральной части сечения потока и используют или для повторного процесса возгонки в реакционной зоне рабочей камеры, или направляют в контейнер. Для более надежного задержания, уплотнения и накопления в материале фильтра-сепаратора частиц фуллеренов на эти частицы и на материал фильтра-сепаратора одновременно воздействуют акустическим и электромагнитным полями, выбирая их значения из физико-механических данных фуллеренсодержащего вещества, т.е. с учетом формы и размера молекул фуллеренов от 7 до 15 при этом для отвода фуллеренсодержащего материала из рабочей камеры и подачи его частиц в фильтры-сепараторы осуществляют используют поток нейтрального газа (Кr или Не), который предварительно пропускают в зазоре между стенкой камеры и защитным ее герметизирующим корпусом, что позволяет более точно и надежно ориентировать каждую фазу и фракцию на определенное кольцевое пространство в общем отводимом фуллеренсодержащем потоке материала.

Контроль содержания фуллерена (С-60, С-70, С-84) в каждом из фильтров-сепараторов осуществлялся методом ИК, методом ЯМР и методом МСМ, при этом чистота фуллерена С-60 равна 96,14%; чистота С-70 равна 96,84%, чистота С-84 равна 97,415%.

Контроль на растворимость каждого фуллерена осуществлялся в в растворе поливинилпирролидона (ПВП); в растворе ненасыщенных жирных кислот: арахидоновой, олеиновой, линолевой.

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при изготовлении новых материалов. Углеродсодержащий материал в виде стержней, например графит, подвергают обработке электростатическим полем напряженностью 5-50 А/м² 30-60 мин. Обработанный материал закрепляют в захватах робота-манипулятора, имеющих возможность перемещения в реакционной зоне рабочей камеры в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Осуществляют возгонку углеродсодержащего материала в газоаэрозольную фазу в высокотемпературном поле реакционной зоны рабочей камеры. Полученную газоаэрозольную фазу выдерживают 0,001-0,1 с за счет завихрения потока вдоль стенок рабочей камеры. Отводят в потоке нейтрального газа, расширяя его в поперечном сечении с раскрытием по лемнискате. Начальный угол расхождения граничных поверхностей потока 1-3°, конечный - 60°. Формируют кольцевые потоки с помощью тонкостенных диффузоров, имеющих стенки, выполненные по лемнискатом. Разделенные и сформированные кольцевые потоки отводят на фильтры-сепараторы, в ячейках которых накапливают раздельно фракции С₆₀, С₇₀, С₈₄. Побочный продукт - пироуглерод отводят из центральной части и повторно используют. На накапливаемые частицы и на материал фильтров-сепараторов одновременно воздействуют акустическим и электромагнитным полями. Нейтральный газ, используемый для отвода фуллеренсодержащего материала из рабочей камеры и для подачи его на фильтры–сепараторы, предварительно пропускают в зазоре между стенкой камеры и защитным герметизирующим кожухом. Изобретение позволяет повысить чистоту фуллеренов С₆₀ - до 96,14%, С₇₀-96,84%, С₈₄-97,415%. 1 табл.

Технология производства фуллеренсодержащих материалов, включающая предварительную обработку исходного углеродсодержащего материала, подачу этого материала в реакционную зону рабочей камеры, возгонку углеродсодержащего материала в газоаэрозольную фазу, отвод продуктов переработки из реакционной зоны камеры в потоке нейтрального газа на сортировку и использование, отличающаяся тем, что перед подачей углеродсодержащего материала в реакционную зону камеры его подвергают предварительной обработке воздействием электростатического поля напряженностью 5-50 А/м² в течение 30-60 мин, затем этот углеродсодержащий материал подают в реакционную зону камеры с помощью захватов робота-манипулятора, где эти захваты перемещают в трех взаимно-перпендикулярных направлениях, а получаемую при возгонке газоаэрозольную фазу перерабатываемого углеродсодержащего материала выдерживают в диапазоне времени 0,001-0,1 с, отводят в потоке нейтрального газа и подвергают этот поток расширению в его поперечном сечении с раскрытием этого сечения по лемнискате, каждый разделенный кольцевой поток отводят на фильтр-сепаратор, где на частицы продукта переработки и на материал фильтра-сепаратора одновременно воздействуют акустическим и электромагнитным полями, при этом отводимые потоки формируют за счет потока нейтрального газа, предварительно пропущенного в зазоре между стенкой камеры и защитным герметизирующим корпусом.